特許 6450318 光受信回路及びその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6450318

(24)【登録日】2018年12月14日

(45)【発行日】2019年1月9日

(54)【発明の名称】光受信回路及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   H04B 10/69 20130101AFI20181220BHJP

   H03F 3/08 20060101ALI20181220BHJP

   H03F 1/48 20060101ALI20181220BHJP

【ＦＩ】

   H04B10/69

   H03F3/08

   H03F1/48

【請求項の数】10

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2015-540526(P2015-540526)

(86)(22)【出願日】2014年10月1日

(86)【国際出願番号】JP2014076307

(87)【国際公開番号】WO2015050168

(87)【国際公開日】20150409

【審査請求日】2017年9月15日

(31)【優先権主張番号】特願2013-206967(P2013-206967)

(32)【優先日】2013年10月2日

(33)【優先権主張国】JP

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２５年度独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「超低消費電力型光エレクトロニクス実装システム技術開発」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】513065077

【氏名又は名称】技術研究組合光電子融合基盤技術研究所

(74)【代理人】

【識別番号】100140109

【弁理士】

【氏名又は名称】小野 新次郎

(74)【代理人】

【識別番号】100075270

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 泰

(74)【代理人】

【識別番号】100101373

【弁理士】

【氏名又は名称】竹内 茂雄

(74)【代理人】

【識別番号】100118902

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 修

(74)【代理人】

【識別番号】100147991

【弁理士】

【氏名又は名称】鳥居 健一

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 康之

(72)【発明者】

【氏名】岡本 大典

【審査官】 後澤 瑞征

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１５−０５６７０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−１９２５１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−９５８６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１４２８２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−２４４２９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−１２４８８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−２９００１４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０４Ｂ １０／６９

Ｈ０３Ｆ １／４８

Ｈ０３Ｆ ３／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

フォトダイオードと、
前記フォトダイオードに電源を供給するトランスインピーダンスアンプと
を備え、
前記フォトダイオードのアノードと前記トランスインピーダンスアンプとの間の配線の特性インピーダンスが、前記フォトダイオードのカソードと前記トランスインピーダンスアンプとの間の配線の特性インピーダンスより高く、
前記フォトダイオードのアノードと前記トランスインピーダンスアンプとの間の配線の特性インピーダンスが、前記トランスインピーダンスアンプの入力インピーダンスより高いことを特徴とする光受信回路。

【請求項2】

前記フォトダイオードのカソードと前記トランスインピーダンスアンプとの間の配線の特性インピーダンスが、前記トランスインピーダンスアンプの入力インピーダンスより低いことを特徴とする請求項１に記載の光受信回路。

【請求項3】

フォトダイオードと、
前記フォトダイオードに電源を供給するトランスインピーダンスアンプと
を備え、
前記フォトダイオードのアノードと前記トランスインピーダンスアンプとの間の配線の特性インピーダンスが、前記フォトダイオードのカソードと前記トランスインピーダンスアンプとの間の配線の特性インピーダンスより高く、
前記フォトダイオードのカソードと前記トランスインピーダンスアンプとの間の配線の下層にグラウンドを有し、前記フォトダイオードのアノードと前記トランスインピーダンスアンプとの間の配線の下層にグラウンドを有しないことを特徴とする光受信回路。

【請求項4】

フォトダイオードと、
前記フォトダイオードに電源を供給するトランスインピーダンスアンプと
を備え、
前記フォトダイオードのアノードと前記トランスインピーダンスアンプとの間の配線の特性インピーダンスが、前記フォトダイオードのカソードと前記トランスインピーダンスアンプとの間の配線の特性インピーダンスより高く、
前記フォトダイオード及び前記トランスインピーダンスアンプがＳｉ基板上に形成されることを特徴とする光受信回路。

【請求項5】

前記フォトダイオードのカソードと前記トランスインピーダンスアンプとの間の配線の下層に有するグラウンドがＳｉ層で形成されることを特徴とする請求項４に記載の光受信回路。

【請求項6】

フォトダイオードと、
前記フォトダイオードに電源を供給するトランスインピーダンスアンプと
を備え、
前記フォトダイオードのアノードと前記トランスインピーダンスアンプとの間の配線の特性インピーダンスが、前記フォトダイオードのカソードと前記トランスインピーダンスアンプとの間の配線の特性インピーダンスより高く、
前記フォトダイオード及び前記トランスインピーダンスアンプが、Ｓｉ基板と表面Ｓｉ層との間にＳｉＯ_２層が挿入されるＳＯＩ基板上に形成されることを特徴とする光受信回路。

【請求項7】

前記フォトダイオードのカソードと前記トランスインピーダンスアンプとの間の配線の下層に有するグラウンドがＳＯＩ層で形成されることを特徴とする請求項６に記載の光受信回路。

【請求項8】

前記フォトダイオードのカソードと前記トランスインピーダンスアンプとの間の配線に対応するＳＯＩ層の部分に選択的にイオン注入されていることを特徴とする請求項７に記載の光受信回路。

【請求項9】

フォトダイオードとトランスインピーダンスアンプとを備える光受信回路を製造する方法であって、
フォトダイオードのアノードとトランスインピーダンスアンプとの間の配線が形成されるべき部分のＳＯＩ層をエッチングするステップと、
フォトダイオードのカソードとトランスインピーダンスアンプとの間の配線が形成されるべき部分のＳＯＩ層にイオン注入するステップと、
ＳｉＯ_２層を形成するステップと、
前記フォトダイオードのカソードと前記トランスインピーダンスアンプとの間の配線を前記ＳｉＯ_２層上に形成するステップと
を含む方法。

【請求項10】

前記イオン注入するステップは、Ｓｉ変調器又はＧｅ受光器を形成するためにキャリア注入を行うステップを含むことを特徴とする請求項９に記載の光受信回路を製造する方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は光受信回路及びその製造方法に関し、より詳細には、フォトダイオードとトランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ）との間の配線による特性劣化を抑制する光受信回路及びその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

光通信システムの受信機においてはフォトダイオード（ＰＤ）が光信号を電流信号に変換する。さらに、ＰＤに接続されたトランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ）が電流信号を電圧信号に変換して増幅し、次段の回路に伝達する。

【0003】

従来、このような光受信回路を形成する場合には、ＰＤのアノードとＴＩＡとをワイヤボンディングで接続し、ＰＤのカソードはチップコンデンサを介して接地されていた。ＰＤに電源を供給する方法として、ＰＤとＴＩＡとに別個に電源を供給する方法と、ＴＩＡからＰＤに電源を供給する方法とがある。電源の数や電源パッドの数を低減するためには、ＴＩＡからＰＤへ電源を供給することが望ましい。

【0004】

このような光受信回路においては、ＰＤとＴＩＡとを接続する配線は光受信回路の特性に大きく影響し、ＴＩＡから出力される電圧信号のアイパターンを劣化させる可能性がある。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明は、ＰＤとＴＩＡとの間の配線による特性劣化を抑制する光受信回路及びその製造方法を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の実施例において、光受信回路は、フォトダイオードと、フォトダイオードに電源を供給するトランスインピーダンスアンプとを備える。フォトダイオードのアノードとトランスインピーダンスアンプとの間の配線の特性インピーダンスは、フォトダイオードのカソードとトランスインピーダンスアンプとの間の配線の特性インピーダンスより高い。

【0007】

実施例において、フォトダイオードのアノードとトランスインピーダンスアンプとの間の配線の特性インピーダンスは、トランスインピーダンスアンプの入力インピーダンスより高い。

【0008】

実施例において、フォトダイオードのカソードとトランスインピーダンスアンプとの間の配線の特性インピーダンスは、トランスインピーダンスアンプの入力インピーダンスより低い。

【0009】

実施例において、フォトダイオードのカソードとトランスインピーダンスアンプとの間の配線の下層にグラウンドが配置される一方、フォトダイオードのアノードとトランスインピーダンスアンプとの間の配線の下層にグラウンドが配置されない。

【0010】

実施例において、フォトダイオード及びトランスインピーダンスアンプがＳｉ基板上に形成される。

【0011】

実施例において、フォトダイオードのカソードとトランスインピーダンスアンプとの間の配線の下層に配置されるグラウンドがＳｉ層で形成される。

【0012】

実施例において、フォトダイオード及びトランスインピーダンスアンプは、Ｓｉ基板と表面Ｓｉ層との間にＳｉＯ_２層が挿入されるＳＯＩ基板上に形成される。

【0013】

実施例において、フォトダイオードのカソードとトランスインピーダンスアンプとの間の配線の下層に配置されるグラウンドがＳＯＩ層で形成される。

【0014】

実施例において、フォトダイオードのカソードとトランスインピーダンスアンプとの間の配線に対応するＳＯＩ層の部分に選択的にイオン注入される。

【0015】

実施例において、フォトダイオードとトランスインピーダンスアンプとを備える光受信回路の製造方法は、フォトダイオードのアノードとトランスインピーダンスアンプとの間の配線が形成されるべき部分のＳＯＩ層をエッチングするステップと、フォトダイオードのカソードとトランスインピーダンスアンプとの間の配線が形成されるべき部分のＳＯＩ層にイオン注入するステップと、ＳｉＯ_２層を形成するステップと、フォトダイオードのアノードとトランスインピーダンスアンプとの間の配線をＳｉＯ_２層上に形成するステップとを含む。

【0016】

実施例において、上記イオン注入するステップは、Ｓｉ変調器又はＧｅ受光器を形成するためにキャリア注入を行うステップを含む。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】光受信回路の概略図を示す。

【図2】図１の光受信回路においてＴＩＡから出力される電圧信号を示す。

【図3】本発明の実施例による光受信回路の概略図を示す。

【図4】光受信回路の概略図を示す。

【図5】図４の光受信回路においてＴＩＡから出力される電圧信号を示す。

【図6】本発明の実施例による光受信回路の概略的な平面図を示す。

【図7】本発明の実施例による光受信回路の概略的な平面図を示す。

【図8】本発明の実施例による光受信回路の概略的な断面図を示す。

【図9】本発明の実施例による光受信回路の概略的な断面図を示す。

【図10】本発明の実施例による光受信回路の製造工程のフローチャートを示す。

【図11】本発明の実施例による光受信回路の概略的な断面図を示す。

【発明を実施するための形態】

【0018】

本発明の実施例を図面を参照しながら以下に詳細に説明する。

【0019】

本発明の実施例によれば、基板にＰＤを形成し、ＴＩＡを基板にフリップチップ実装することにより、ＰＤとＴＩＡとを有する光受信回路が基板上に形成される。この構成により、従来の光受信回路と比較して、必要となる部品の数が少なくなり、集積度を高めることができる。しかし、ＰＤのアノード及びカソードとＴＩＡとの間にある程度の長さの配線が必要となり、この配線が光受信回路の特性に大きく影響する。

【0020】

本願発明者らは、上記のように基板上に光受信回路を形成する際、ＰＤのアノードとＴＩＡとを接続する配線の特性インピーダンスを高くすることによって、光受信回路の特性劣化を抑制できることを発見した。図１（Ａ）及び図１（Ｂ）は、上記の特徴を有さない例示的な光受信回路１００Ａ及び上記の特徴を有する例示的な光受信回路１００Ｂの概略図をそれぞれ示す。光受信回路１００Ａ及び１００Ｂは基板上に形成されてもよい。光受信回路１００Ａ及び１００Ｂは、それぞれ、フォトダイオード（ＰＤ）１０２Ａ及び１０２Ｂ、トランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ）１０８Ａ及び１０８Ｂ、ＰＤのアノードとＴＩＡとの間の配線１０４Ａ及び１０４Ｂ、ＰＤのカソードとＴＩＡとの間の配線１０６Ａ及び１０６Ｂを有する。図１において、本発明の実施例による光受信回路の特性改善を明確に説明するために、ＰＤのカソードには電源とコンデンサが接続され、高周波的に接地され、カソード側配線１０６の影響を無視することができると仮定する。

【0021】

一例として、図１（Ａ）の光受信回路１００Ａは、ＰＤ１０２ＡのアノードとＴＩＡ１０８Ａとが、例えば５０μｍの幅を有する長さ５００μｍの電気配線１０４Ａで接続されるように構成される。例えば、電気配線１０４Ａは、ＴＩＡ１０８Ａの特性インピーダンスよりも低い特性インピーダンスを有するように構成されてもよい。また、図１（Ｂ）の光受信回路１００Ｂは、ＰＤ１０２ＢのアノードとＴＩＡ１０８Ｂとが、より小さな１０μｍの幅及び長さ５００μｍの電気配線で接続されるように構成される。したがって、図１（Ｂ）の光受信回路１００Ｂは、図１（Ａ）に示す通常の構成と比較して、ＰＤ１０２ＢのアノードとＴＩＡ１０８Ｂとの間の配線１０４Ｂの特性インピーダンスが高い。

【0022】

ＰＤ１０２Ａ及び１０２Ｂから出力される電気信号が２５ＧｂｐｓのＮＲＺ信号であると仮定した場合にＴＩＡ１０８Ａ及び１０８Ｂから出力される電圧信号の計算結果を図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示す。図２（Ａ）は図１（Ａ）に対応し、図２（Ｂ）は図１（Ｂ）に対応する。図２から明らかなように、図１（Ｂ）のようにＰＤのアノードとＴＩＡとの間の配線のインピーダンスをより高くすることにより、ＴＩＡの出力におけるアイ開口が大きくなり、光受信回路の特性が改善される。

【0023】

図３は、本発明の実施例による光受信回路３００の概略図を示す。光受信回路３００は、ＰＤ３０２、アノード側配線３０４、カソード側配線３０６及びＴＩＡ３０８を有する。ＰＤ３０２とＴＩＡ３０８とはアノード側配線３０４及びカソード側配線３０６を介して接続される。ＰＤ３０２の電源はＴＩＡ３０８を介して供給される。実施例において、アノード側配線３０４の特性インピーダンスはカソード側配線３０６の特性インピーダンスよりも高い。一例として、アノード側配線３０４の特性インピーダンスはＴＩＡ３０８の入力インピーダンスより高い。また、一例として、カソード側配線３０６の特性インピーダンスはＴＩＡ３０８の入力インピーダンスより低い。

【0024】

図４及び図５は本発明の実施例の効果を明らかにする。図４（Ａ）は、本発明の実施例と対比させるための、ＰＤ４０２Ａのアノード側配線４０４Ａ及びカソード側配線４０６Ａの両方が高い特性インピーダンスを有する光受信回路４００Ａを示す。図４（Ｂ）は、本発明の実施例による光受信回路４００Ｂを示す。ＰＤ４０２Ｂのアノード側配線４０４Ｂが高い特性インピーダンスを有する一方、カソード側配線４０６Ｂが低い特性インピーダンスを有する。一例として、図４（Ａ）のアノード側配線４０４Ａ及びカソード側配線４０６Ａ並びに図４（Ｂ）のアノード側配線４０４Ｂは、１μｍの高さ、１０μｍの幅及び５００μｍの長さを有する電気配線として構成されてもよい。図４（Ｂ）のカソード側配線４０６Ｂは、１μｍの高さ、９０μｍの幅及び５００μｍの長さを有してもよい。すなわち、本発明の実施例による光受信回路４００Ｂにおいては、アノード側配線４０４Ｂにおいてインダクタンス成分が付加される一方、カソード側配線４０６Ｂにおいてインダクタンス成分が低減される。

【0025】

図５（Ａ）及び図５（Ｂ）は、それぞれ、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）の光受信回路においてＰＤ４０２Ａ及びＰＤ４０２Ｂから出力される電流信号が２５ＧｂｐｓのＮＲＺ信号であると仮定した場合にＴＩＡ４０８Ａ及び４０８Ｂから出力される電圧信号のアイパターンを示す。本発明の実施例の光受信回路４００Ｂにより、出力信号のジッタが小さく、立ち上がり時間及び立ち下がり時間が短い良好なアイパターンが得られることが確認される。

【0026】

実施例において、アノード側配線４０４ＢはＴＩＡ４０８Ｂの入力インピーダンスよりも高い特性インピーダンスを有している。また、実施例において、カソード側配線４０６ＢはＴＩＡ４０８Ｂの入力インピーダンスよりも低い特性インピーダンスを有している。本発明の実施例において、アノード側配線４０４Ｂはカソード側配線４０６Ｂよりも長い配線長を有してもよい。また、アノード側配線４０４Ｂはカソード側配線４０６Ｂよりも小さな幅を有してもよい。

【0027】

図６は、光集積回路として構成される本発明の実施例による光受信回路６００の概略的な平面図を示す。光受信回路６００は、基板がシリコン（Ｓｉ）で形成され、Ｓｉ基板上にＰＤ６０２及びＴＩＡ６０８が形成されるように構成されてもよい。実施例において、ＰＤ６０２とＴＩＡ６０８は、特性インピーダンスの高いアノード側配線６０４及び特性インピーダンスの低いカソード側配線６０６を介して接続される。例えば、アノード側配線６０４はカソード側配線６０６よりも小さな幅を有してもよい。

【0028】

ここでは、ＰＤのアノード及びカソードとＴＩＡ間を接続することで配線としたが、ＰＤのアノード側及びカソード側の電極と、ＴＩＡの入力側の電極を接続する電極の構造にも適用できる。

【0029】

図７は、光集積回路として構成される本発明の実施例による光受信回路７００の概略的な平面図を示す。実施例において、ＰＤ７０２のカソードとＴＩＡ７０８との間の配線の下層にグラウンド７２２が配置される一方、ＰＤ７０２のアノードとＴＩＡ７０８との間の配線の下層にグラウンドが配置されないように、光受信回路７００が構成されてもよい。また、本発明の実施例において、光受信回路７００はＳｉ基板上に形成されてもよい。高インピーダンス配線７０４や低インピーダンス配線７０６はマイクロストリップラインやコプレーナウェーブガイドで形成されてもよい。グラウンド７２２はＳｉ層によって形成されてもよい。

【0030】

本発明の実施例において、光受信回路は、Ｓｉ基板と表面Ｓｉ層（図示せず）との間に二酸化珪素（ＳｉＯ_２）層が挿入された構造を有するＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板上に形成されてもよい。

【0031】

図８は、本発明の実施例による、ＰＤ（図示せず）及びＴＩＡ（図示せず）がＳＯＩ基板８１０上に形成される光受信回路８００の概略的な断面図を示す。ＳＯＩ基板においては、Ｓｉ基板と表面Ｓｉ層との間にＳｉＯ_２層が挿入される。ＳＯＩ基板８１０は、Ｓｉ層８１２、ＢＯＸ（埋め込み酸化膜）（ＳｉＯ_２）層８１４及びＳｉＯ_２層８１６を積層することにより形成されてもよい。一例として、ＰＤとＴＩＡとの間のアノード側配線８０４及びカソード側配線８０６は５００μｍの長さを有してもよい。Ｓｉ層８１２は２０Ωｃｍの抵抗を有してもよい。ＢＯＸ層８１４は３μｍの厚さを有してもよい。ＳｉＯ_２層８１６は１μｍの厚さを有してもよい。アノード側配線８０４及びカソード側配線８０６はＳＯＩ基板８１０上に形成され、アノード側配線８０４はカソード側配線８０６よりも高い特性インピーダンスを有する。例えば、図８に示すように、アノード側配線８０４の幅はカソード側配線８０６の幅よりも小さくてもよい。

【0032】

図９は、本発明の実施例による、ＳＯＩ基板９１０上に形成される光受信回路９００の概略的な断面図を示す。ＳＯＩ基板９１０は、Ｓｉ層９１２、ＢＯＸ層９１４及びＳｉＯ_２層９１６から構成される。さらに、カソード側配線９０６の下層のＢＯＸ層９１４とＳｉＯ_２層９１６との間にＳＯＩ（Ｓｉ）層９１８が形成される。図９の実施例によれば、ＳＯＩ層９１８の導電性により、グラウンドをＳＯＩ層で形成することができる。したがって、アノード側配線９０４とカソード側配線９０６が同程度の幅を有する場合であっても、アノード側配線９０４の特性インピーダンスがカソード側配線９０６の特性インピーダンスよりも高くなる。

【0033】

図９に示す実施例において、ＳＯＩ層９１８のうちカソード側配線９０６の下部の部分に選択的なイオン注入が行われてキャリアが形成されてもよい。この場合、選択的にイオン注入された部分は、ＳＯＩ層９１８の光導波路が形成された他の部分よりも小さな抵抗率を有する。したがって、カソード側配線９０６の特性インピーダンスがより低くなり、光受信回路９００の特性が改善される。

【0034】

図１０は、図９に示すような光受信回路９００の製造工程を示すフローチャートである。ステップ１００２において、フォトダイオードのアノードとトランスインピーダンスアンプとの間の配線が形成されるべき部分のＳＯＩ層がエッチングされる。ステップ１００４において、フォトダイオードのカソードとトランスインピーダンスアンプとの間の配線が形成されるべき部分の下のＳＯＩ層に選択的にイオン注入が行われる。ステップ１０１２において、カソード側のＳＯＩ層９１８及びアノード側のＢＯＸ層９１４の上にＳｉＯ_２層９１６が形成される。ステップ１０１４において、ＳｉＯ_２層９１６上にアノード側配線９０４及びカソード側配線９０６が形成される。ＳＯＩ層９１８にはＳｉ変調器やＧｅ受光器などの光部品が形成されてもよい。この場合、ＳＯＩ層９１８のうちカソード側配線９０６が形成されるべき部分の下への選択的なイオン注入とともに、光部品が形成される部分にキャリア注入が行われてもよい。

【0035】

図１１は、本発明の実施例による、ＳＯＩ基板１１１０上に形成される光受信回路１１００の概略的な断面図を示す。ＳＯＩ基板１１１０は、Ｓｉ層１１１２、ＢＯＸ層１１１４、第１のＳｉＯ_２層１１１６及び第２のＳｉＯ_２層１１２０から構成される。さらに、カソード側の第２のＳｉＯ_２層１１２０には、グラウンド１１２２が形成されマイクロストリップラインが形成される。図１１の実施例によれば、アノード側配線１１０４とカソード側配線１１０６が同程度の幅を有する場合であっても、グラウンド１１２２の導電性により、アノード側配線１１０４の特性インピーダンスがカソード側配線１１０６の特性インピーダンスよりも高くなる。

【0036】

本明細書において、本発明は特定の実施例に関して説明されたが、本明細書に記載された実施例は、本発明を限定的に解釈することを意図したものではなく、本発明を例示的に説明することを意図したものである。本発明の範囲から逸脱することなく他の代替的な実施例を実施することが可能であることは当業者にとって明らかである。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】